[发明专利]一种商拓扑能量递阶动态规划的无线传感网路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感网络路由算法，具体涉及一种基于地理位置商拓扑下能量递阶博弈的无线传感网路由方法。

背景技术

在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：WSN（无线传感网）通过大量部署无线传感器节点在特定监测区域内，通过采集特定无线传感网络覆盖区域内被感知对象的信息，通过单跳或多跳的无线通信方式，将收集和处理后的数据信息提供给终端用户．WSN不需要固定的基础设施和网络支持，具有快速部署、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事侦察、环境监测、医疗监护、农业养殖和其他商业领域，以及空间探索和灾难抢险等特殊领域。近年来WSN的高效路由协议研究一直是该领域的研究重点之一。

分簇路由协议是WSN中重要的路由类型，在分簇路由协议中，网络通常被划分为簇(cluster)．所谓簇，就是具有某种关联的网络节点集合．每个簇由一个簇头(cluster head)和多个簇内成员(cluster member)组成，簇内成员通过簇头汇集信息，由簇头与基站BS(base station)通信分簇路由机制具有以下几个优点(1)成员节点大部分时间可以关闭通信模块，由簇头构成一个更上一层的连通网络来负责数据的长距离路由转发．这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大程度上节省了网络能量；(2)簇头融合了成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量，从而节省了网络能量；(3)成员节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息．这大大减少了网络中路由控制信息的数量，减少了通信量：(4)分簇拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络：(5)与平面路由相比，更容易克服传感器节点移动带来的问题。当前主要的分簇技术的难点之一是较难兼顾能量消耗均衡性和地理分布均衡性。

在拓扑学及其相关数学领域，一个商空间（quotient space，也称为等化空间identification space）直观上说是将一个给定空间的一些点等同或“黏合在一起”；由一个等价关系确定哪些点是等同的。这是从给定空间构造新空间的常见方法。通过对原始数据拓扑空间构造或诱导出不同粒度的商拓扑空间，商空间理论就是研究各个商拓扑空间之间的关系，包括合成、综合、分解和在不同商空间中的问题推理的理论。

发明内容

本发明的目的：提供一种通过不同地理位置商拓扑间分层递进式能量博弈策略获得的无线传感网路由方法。该方法能够综合考虑WSN节点的能量和地理分布特性，有效均衡所有节点能量消耗，延长网络生存周期。

本发明的方案：根据传感网节点地理属性诱导出不同层次的商集划分（即分簇），同时规定同簇的各个子簇中节点基数相同的。通过分层递阶的思想进行不同层次分簇节点间能量博弈来确定是否需要划分（即子分簇）和如何最优划分。在最后获得最终有效分簇后，其各簇头节点通过逐级与各自记录的父簇的簇头节点构成多跳传输路径以确保各个簇信息能够更有效的传送到Sink。从第二轮起首先判断上一轮第一层的各个划分节点间整体能量是否失衡。如失去平衡则调用第一轮同样方法重构造分簇路由。如果平衡则保留划分并选定新簇头，然后进一步判断下一层同父各簇是否平衡，并采取第一层同样方式递归处理直至形成底层分簇、构造新路由。本发明技术方案能够综合考虑WSN节点的能量和地理分布特性构造传感网能量均衡分簇路由，有效的延长网络生命周期。

本发明的具体步骤如下：

1、根据地域关系属性将无线传感网拓扑Wsn诱导出N种备选划分方案，指定每种备选划分为k个小粒度子簇的步骤是：

（a）节点一旦部署就不再改变其地理位置，基站记录有各个节点的剩余能量和地理指标等节点分布信息；

（b）通过选定一个地理分布属性，如某个海拔高度，或某个水平经纬度，将Wsn划分为K个等价类节点子簇即Wsn₁’、Wsn₂’、…Wsn_k’；

（c）选定不同的地理分布属性重复N次执行步骤b获得N种备选划分方案；

2、对这N个备选划分进行能量平衡和能量预估消耗的竞争，如获得最优划分即最优下一层子分簇即Wsn₁’、Wsn₂’、…Wsn_k’，则进入下列步骤3；否则该无线传感网Wsn本身为最终有效簇，则进入下列步骤4，具体步骤：

(a)选择备选划分之一；

（b）在K个子分簇中，对每个子分簇都选择若干最优簇头并基于这些簇头通过计算预测最小能量消耗值Consume(Wsn__i')其中i∈{1,2,…k}；